63927 (Устройства генерирования и канализации субмиллиметровых волн)

85

Устройства генерирования и канализации субмиллиметровых волн

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Ламповые и полупроводниковые генераторные приборы субмиллиметрового диапазона

1.1 Лампы обратной волны (ЛОВ)

1.2 Плазменные приборы

1.3 Полупроводниковые генераторы

2. Резонансные системы субмиллиметрового диапазона

3. Канализация энергии в субмиллиметровом диапазоне

3.1 Металлические волноводы

3.1.1 Одноволновые металлические волноводы

3.1.2 Металлические волноводы увеличенных сечений

3.2 Диэлектрические волноводы

3.3 Квазиоптическая линия, образованная передающей и приемной апертурами

3.4 Линзовые и зеркальные лучевые волноводы

4. Элементы трактов субмиллиметрового диапазона

4.1 Направленные ответвители

4.2 Аттенюаторы

4.3 Модуляторы

5. Элементы трактов субмиллиметрового диапазона

5.1 Измерение частоты и длины волны

5.1.1 Волномеры с объемными резонаторами

5.1.2 Резонансные волномеры с плоскими оптическими зеркалами

5.1.3 Резонансные волномеры с выпуклыми зеркалами

5.1.4 Гетеродинные частотомеры

5.1.5 Интерференционный метод измерения длины волны

5.1.6 Дифракционный метод измерения длины волны

5.2 Измерение мощности

5.2.1 Калориметрические измерения

5.2.2 Тепловые измерители проходящей мощности

5.2.3 Пондеромоторные измерители мощности

5.2.4 Болометрические измерители мощности

5.2.5 Пироэлектрические измерители мощности

6. Распространение и применение радиотехнических систем миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов волн

6.1 Характеристики распространения

6.2 Эффект поверхности рассеяния объектов

6.3 Военные и гражданские применения

Заключение

Список использованных источников

Введение

Проблема генерирования колебаний в субмиллиметровом диапазоне радиоволн является одной из наиболее трудных проблем современной радиотехники.

В последние годы успешно разрабатываются маломощные генераторы миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов. Но задача генерирования мощных высокостабильных колебаний в диапазоне 300—3000 ГГц практически пока не решена. Большинство методов генерирования колебаний большой мощности в указанном диапазоне исследовано лишь теоретически, а их экспериментальная проверка проводилась на миллиметровых волнах, что затрудняет в ряде случаев окончательную оценку их перспективности.

Следует особо подчеркнуть, что существующие генераторы субмиллиметровых волн, например ЛОВ, квантовые генераторы (лазеры) и другие, являются принципиально источниками монохроматических колебаний.

Под воздействием различных факторов спектральная линия современных генераторов субмиллиметровых волн уширяется, однако ширина этой спектральной линии значительно уже, чем спектр некогерентных источников. С помощью специальных мер ширина спектральной линии когерентных источников может быть значительно сужена. В этом случае говорят о стабилизации частоты когерентных генераторов. Таким образом, с проблемой генерации тесно связана проблема стабилизации частоты. Очевидно, в первую очередь представляют интерес исследования, направленные на повышение стабильности частоты существующих генераторов. Поэтому ниже рассматриваются вопросы стабилизации частоты генераторов типа ламп обратной волны и лазеров.

В настоящей работе на основе литературных источников дано общее представление о методике и способах проникновения в область субмиллиметровых волн, кратко освещены направления изысканий принципиально возможных способов генерирования субмиллиметровых волн. Теория рассматриваемых генераторов не приводится. Излагаются лишь основные принципы работы, а так же рассмотрены наиболее перспективные области применения и распространение радиотехнических систем миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов волн.

1. Ламповые и полупроводниковые генераторные приборы субмиллиметрового диапазона

Задача создания генераторов субмиллиметровых волн решалась путем моделирования электровакуумных приборов СВЧ диапазона. Успехи, достигнутые при моделировании СВЧ приборов, в значительной степени определялись улучшением технологии изготовления электронных пушек и замедляющих структур (ЗС).

Естественно, по мере увеличения частоты возникают специфические трудности, ограничивающие генерируемые мощности и типы моделируемых приборов. В настоящее время из широко распространенных приборов СВЧ субмиллиметровые волны генерируют только лампы обратной волны типа О и клистроны.

Определенный интерес представляет возможность вместо обычной замедляющей структуры использовать плазменный волновод и на этой основе разработать плазменные усилители и генераторы.

1.1 Лампы обратной волны (ЛОВ)

Разработка ЛОВ для субмиллиметровых волн основывалась на методе масштабного копирования. Однако полное масштабное копирование невозможно, так как в субмиллиметровом диапазоне этому препятствуют трудность создания чрезвычайно больших плотностей тока в электронном пучке, сложность изготовления замедляющих систем, обеспечивающих высокие электрические характеристики и хороший отвод тепла.

С повышением частоты необходимо увеличивать плотность мощности пучка, что связано как с возрастанием омических потерь, так и с сокращением эффективно взаимодействующей с электромагнитным полем площади поперечного сечения пучка. При пропорциональном моделировании, как известно, площадь поперечного сечения электронного пучка уменьшается пропорционально квадрату длины волны.

Большое сжатие пучка обеспечивает его малый диаметр и большую плотность без перегрузки катода.

Однако для фокусировки сильно сжатого пучка требуется большая величина магнитного поля. Магнитное поле возрастает приблизительно пропорционально частоте. Весьма критичной становится точность центровки электродов и сопряжения пушки с ЗС. Угловая точность в субмиллиметровом диапазоне должна быть выше 1˚.

Задача создания электронных пушек для ЛОВ субмиллиметрового диапазона является весьма сложной. В опытах с одной из пушек самый малый диаметр пучка составлял 0,06 мм при 85%-ной фокусировке. Плотность тока превышала 1000 А/см2 при напряженности магнитного поля 8000 э.

Параметры электронных пушек в значительной мере определяют частотный предел ламп. По мере их совершенствования будут повышаться генерируемые частоты и энергетические характеристики ламп.

Замедляющие системы, таким образом, должны иметь по возможности большие геометрические размеры периодической структуры, обладать хорошим теплоотводом и быть простыми в изготовлении, т. е. для рассматриваемого диапазона перспективными являются замедляющие системы простой формы с наибольшим шагом периодической структуры. Этим требованиям наилучшим образом удовлетворяют различные варианты периодической структуры типа гребенки. Основные достоинства таких замедляющих систем: простота изготовления, малые омические потери, так как пучок обычно взаимодействует с первой пространственной гармоникой. Сопротивление связи мало (порядка Ома). Благодаря тому, что основание такой системы массивное, допускаются большие мощности рассеивания.

В связи с большими рассеиваемыми мощностями в современных субмиллиметровых ЛОВ, как правило, применяют водяное охлаждение.

М.Б. Голант и А.А.Негирев нашли оптимальные формы теплорассеивающих поверхностей в субмиллиметровых ЛОВ, что позволило разрешить проблему теплоотвода при разработке отечественных приборов.

Замедляющие структуры для ламп субмиллиметрового диапазона изготовляются методом фрезерования, штамповки, фототравления, фотоосаждения, резания ультразвуком и электронным лучом. Качество технологии в большой степени определяет параметры приборов.

Для нормальной работы прибора необходимо, чтобы период между двумя пролетами электронов был примерно кратен периоду генерируемых колебаний. Номера использующихся пространственных гармоник здесь очень высоки. В таких приборах можно снизить пусковые токи по сравнению с обычными ЛОВ, имеющими такую же длину замедляющей системы, и при этом получить к. п. д. примерно такой же, как у обычных ЛОВ малой мощности с малыми потерями в замедляющей системе.

Таким образом, сочетание резонанса в замедляющей системе и резонанса электронного пучка может способствовать использованию ЛОВ на более коротких волнах субмиллиметрового диапазона.

Приборы характеризуются многоэлектродной конструкцией, сравнительно высокими напряжениями питания и большими магнитными полями. До длин волн = 0,6 мм используются фокусирующие системы с постоянными магнитами, а в более коротковолновых лампах применены электромагниты. Отдельные экземпляры этих приборов на волнах 0,9 мм генерировали колебания мощностью около 100 мВт, а на волнах 0,9—0,6 мм – мощностью несколько десятков милливатт. Разрабатываются ЛОВ для генерирования волн длиной до 0,345 мм.

Рис. 1.1 Зависимость выходной мощности ЛОВ-1 и длины генерируемой волны от напряжения коллектора

Советскими учеными под руководством М. Б. Голанта разработаны генераторы типа ЛОВ, предназначенные для работы на волнах вплоть до 0,296 мм.

Рис. 1.2 Внешний вид приборов ЛОВ-1 и ЛОВ-0,5

1 – фланец; 2 – штуцер водяного охлаждения; 3, 4 – выводы накала и катода; 5 – геттер.

На графике рис. 1. показана зависимость выходной мощности и длины генерируемой волны от напряжения на замедляющей системе для одного из экземпляров прибора ЛОВ-1.

Электровакуумные приборы субмиллиметровых волн требуют для своей работы сильных магнитных полей, поэтому они выпускаются непакетированными. Для уменьшения потерь вывод энергии осуществляется через волновод с увеличенным сечением. Для генерирования колебаний в диапазоне 0,5 мм разработаны также резонансные ЛОВ, работающие в ряде дискретных областей.

Крутизна перестройки резонансных ЛОВ в 5 - 6 раз меньше, вследствие чего стабильность частоты подобных ЛОВ несколько выше; зоны плавной перестройки лежат в пределах сотен мегагерц.

Все существующие приборы требуют водяного охлаждения. Отечественные приборы обладают достаточно высокой надежностью и удобны в эксплуатации.

По принципу действия к ЛОВ близок предложенный Ф.С. Русиным и Г.Д. Богомоловым прибор типа О, названный ими оротроном, который, как показали исследования, может генерировать субмиллиметровые волны.

В оротроне эффективность взаимодействия электронов с СВЧ полем повышена благодаря использованию резонансной системы.

Под руководством А.Я. Усикова его сотрудниками М.Д. Трутнем и Т.Я. Левиным разработаны импульсные генераторы и генераторы непрерывного действия типов О и М с повышенной средней мощностью, работающие в милли- метровом и в значительной части субмиллиметрового диапазона. Рост мощности достигнут вследствие значительного увеличения объема области взаимодействий.

1.2 Плазменные приборы

Ряд исследователей высказывал предположение, что для генерирования и усиления субмиллиметровых волн вместо обычной замедляющей системы ЛОВ может быть применен плазменный волновод.

В изучение приборов, использующих электронно-ионную плазму, большой вклад внесли советские ученые В.Л. Гинзбург, Л.Д. Ландау, Г.А. Бернашевский, З.С. Чернов и др.

Расчеты показывают, что мощность колебаний плазменных субмиллиметровых генераторов и усилителей может достигать десятков ватт. В электроннолучевом плазменном приборе в отличие от ЛОВ высокочастотное поле не ослабевает по мере приближения к центру пучка. Участие всего пучка в процессе взаимодействия с полем плазменных колебаний обеспечивает более высокий к. п. д. и позволяет повысить выходную мощность за счет увеличения диаметра пучка. Однако при реализации таких устройств встречается ряд весьма серьезных затруднений, Из-за столкновения электронного пучка с ионами и нейтральными атомами энергия пучка рассеивается в плазме, появляются шумы. Этот эффект ограничивает рабочую частоту и требует увеличения степени ионизации плазмы.

Для увеличения рабочей частоты необходимо преодолеть две серьезные трудности:

1) получить плазму чрезвычайно высокой плотности (1014 — 1016 ион/см3) при ионизации больше 50%; чем плотнее плазма, тем выше должен быть процент ионизации;

2) найти эффективный способ ввода и вывода энергии.

Возможно, последнюю трудность удастся преодолеть путем использования таких явлений, как распространение поверхностных волн вдоль плазменного столба и волн в плазме, помещенной в магнитное поле.

1.3 Полупроводниковые генераторы

Трудности, возникающие при разработке полупроводниковых СВЧ генераторов и электровакуумных, одни и те же: мелкоструктурность элементов, сложность отвода тепла. Создание полупроводниковых приборов осложняется еще худшей теплопроводностью и меньшей допустимой рабочей температурой полупроводниковых материалов.

Несмотря на это, разработаны приборы на туннельных и лавинно-пролетных диодах, которые генерируют колебания небольшой мощности в миллиметровом диапазоне длин волн. Указанные ограничения делают невозможной работу классических полупроводниковых генераторов в субмиллиметровом диапазоне. В этом диапазоне могут использоваться умножители на полупроводниковых диодах и, очевидно, импульсные генераторы на лавинно-пролетных диодах (ЛПД). Были получены колебания на частоте = 340 ГГц с помощью генератора на ЛПД, работающего в импульсном режиме при больших импульсных токах. Можно предположить, что для работы в субмиллиметровом диапазоне могут быть созданы генераторы на туннельно-пролетных диодах.

Исследования последних лет указывают на большую перспективность использования объемных эффектов для генерации СВЧ колебаний. Первым таким эффектом, позволившим создать генераторы близкого к миллиметровому диапазона, явился эффект Ганна.

Применение так называемого режима ограничения накопления пространственного заряда (ОНПЗ) в диодах из арсенида галлия, предложенного Дж. Коуплендом, позволяет надеяться на создание высокоэффективных генераторов субмиллиметрового диапазона мощностью в несколько ватт.